核聚变能被视为未来清洁能源的重要选择，但其极端服役环境对结构材料提出严苛要求。低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）因其抗辐照肿胀和热导率优势成为首选，但传统RAFM钢面临辐照硬化脆化与高温蠕变性能不足的挑战。尤其是在工作温度可能达到 550°C 以上的情况下，强度与延展性的固有矛盾更限制了其实际应用。
一、研究亮点
2025年3月20日，谢菲尔德大学的研究团队在《自然·通讯》发表创新研究，通过改进热机械加工路径，开发出一种兼具超高强度与优异延展性的新型低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）。该研究聚焦于热机械加工方法对钢中多尺度微结构的调控机制，以适用于核聚变反应堆的Eurofer97钢为基线材料（其以低活化特性及抗辐照性能著称），通过三阶段轧制工艺构建了纳米/微米双峰铁素体与回火马氏体共存的异质组织，成功平衡了材料强度与柔韧性的矛盾。实验表明，新型RAFM钢的屈服强度达750MPa，总延伸率高达49%，突破了传统核用钢材的性能瓶颈，为聚变堆结构材料设计提供了新范式。
二、创新方法：多阶段轧制工艺设计
作者 P. Gong 和 TWJ Kwok 在 Y. Wang 及其合作者的协助下领导了这项研究，他们采用了小角度中子散射 (SANS) 等先进技术来分析钢的微观结构特性。这项研究展示了能够长时间承受中子轰击和高温等极端条件的结构材料的重要性，这对于维持聚变反应至关重要。
这项研究报告的关键进展之一来自一种新型热机械工艺，该工艺可产生多尺度铁素体/马氏体结构。该方法涉及在不同温度下进行多阶段轧制：
- 阶段1（1150-1100℃）：高温轧制形成未再结晶奥氏体（γ1）与晶界细晶奥氏体（γ2）的混合组织。
- 阶段2（950-900℃）：在奥氏体-铁素体两相区轧制，诱导变形铁素体相变（DIFT），形成纳米级铁素体（α1）与马氏体（α’1）的双峰结构。
- 阶段3（850-800℃）：温轧进一步细化组织，引入第三模态铁素体（α2），并通过淬火保留高位错密度，为后续纳米析出提供形核位点。
最终经980℃正火与750℃回火，形成三模态铁素体（α3、α4）与回火马氏体（αT’）共存的多尺度结构，同时析出高密度纳米碳化物（MC型）。
研究人员在实验中专门测量了这些工艺变化对材料性能的影响。有趣的是，他们发现，新型第 3 阶段 RAFM 钢的屈服强度明显高于传统的 Eurofer97，取得了令人印象深刻的成果。由于材料的电气特性和强度显著增强，这种新型钢设计的总伸长率达到了 49%，这一性能水平远远超过了 RAFM 钢的典型标准。
三、作者点评
作为研究成果的一部分，作者指出：“我们表明，具有非均匀晶粒尺寸的铁素体实际上可用于提高钢的损伤耐受性”，强调了微观结构发展的重要性。新合金中高密度的移动位错产生了多种变形机制，使钢比其前身更能承受压力。
此外，研究还强调了第三阶段钢中纳米级立方 (Ti, V)C 晶粒内沉淀物的存在如何有助于提高强度而不损害延展性。这种权衡一直是材料科学的一个重大障碍，特别是在核聚变技术中，这两种特性对于持久有效的反应堆部件至关重要。
其中一位研究人员强调了这些发现的意义，他表示：“这种方法使 RAFM 钢既具有所需的高温强度，又具有足够低的冲击转变温度，并且具有潜在的高辐射损伤耐受性。”因此，人们非常乐观地认为，这种新型钢将使实用核聚变能更接近现实。
四、应用前景与意义
该材料设计策略成功打破金属材料强度-延展性“此消彼长”的经典困境，其优势体现在：
- 抗辐照性能提升：纳米MC碳化物可作为氦气泡捕获点，减轻辐照脆化；
- 高温稳定性增强：细晶结构与亚晶界延缓高温晶粒粗化；
- 规模化生产潜力：基于传统轧制工艺改进，无需复杂制备技术。
此项研究为下一代核聚变堆结构材料开发提供了重要参考，同时其多尺度设计理念可推广至航空航天、超临界电站等极端环境用材领域。
五、总结
这项研究的成功不仅标志着核聚变反应堆材料的重大进步，也表明对全球能源解决方案具有重大潜在影响。传统能源因其对环境的影响而受到批评，因此探索安全和可持续的替代能源至关重要。由于核聚变能是丰富和清洁能源的候选者，因此对 RAFM 钢的持续研究（如本研究中研究的钢）可能会提供利用这种有前途的技术所需的解决方案。
随着研究人员不断优化这些材料，打造能够承受聚变反应堆严酷条件的弹性基础设施的潜力标志着迈向实用和可持续能源生产的重要篇章。这项创新工作为聚变反应堆设计的下一个时代奠定了基础，有望为全球能源需求做出重大贡献。
参考链接：
- https://evrimagaci.org/tpg/new-rafm-steel-promises-strength-and-ductility-for-fusion-reactors-278467
论文访问链接：
- https://www.nature.com/articles/s41467-025-58042-8